新型全集成雙頻段低噪聲放大器集成電路結構的製作方法

2023-06-06 05:41:41 1

專利名稱：新型全集成雙頻段低噪聲放大器集成電路結構的製作方法
技術領域：
本發明涉 IMT-Advanced)禾口 超寬帶(Ultra-Wide Band, UffB)通信的多頻段、多標準通信系統的一種雙頻段低噪聲放大 器集成電路晶片。
背景技術：
目前，移動通信發展的一個重要趨勢是單個通信終端可以兼容多種通信標準 (Agnelli F.，Albasini G.，Bietti I.，Gnudi A.，et al，「Wirelessmulti-standard terminals system analysis and design of a reconfigurableRF front-end」， Circuits and Systems Magazine, IEEE Volume 6， Issue 1， First Quarter 2006 Page(S) :38-59，參考文獻1)，比如目前廣泛應用的第三代(3G)蜂窩移動通信系統與藍牙 (Bluetooth)或無線區域網(Wireless LocalArea Networks, WLAN)等無線通信系統的集 成(Changjae Kim, Young-Kyun Jang, Hyung-Joun Yoo, "Design of CMOS front-end for multi-standard receiver(WCDMA and 802.11a), Computational Electromagnetics and ItsApplications",2004. Proceedings. ICCEA 2004.2004 3rd InternationalConference on 1-4 Nov. 2004 Page (s) :340_343，參考文獻2)就是典型的案例。超寬帶(Ultra-Wide Band)自2002年2月14日FCC(美國聯邦通信委員會)批 準民用以來，已經得到了快速地發展，具有廣闊的市場應用前景。IMT-Advanced系統是繼 第三代移動通信系統IMT-2000之後的新一代移動通信系統。在這兩種通信系統中，接收機 都使用了低噪聲放大器(LNA)模塊。實現一款高性能的雙頻段(Dual-band)兼容的接收芯 片，對於這兩種通信模式集成的系統，將可以顯著降低多晶片組裝成本，從而拓寬產品的應 用範圍。雙頻段低噪聲放大器主要有兩種結構(Naveed Ahsan, Aziz Ouachal, JerzyDabrowski, et al. "Dual-band tunable LNA for flexible RF Front End，，， Proceedings of International Conference on Applied Sciences & Technology, Islamabad, Pakistan, 2007 Page (s) : 19-22，參考文獻3)第一種結構是設計兩個單獨的 LNA並聯；另外一種結構是通過低噪聲放大器內部使能端來控制其分別工作在兩個頻段。下面分析這兩種結構的特點。(1)兩個單獨的LNA並聯結構兩個單獨的LNA分別工作在兩個不同的頻段，然後 通過開關來選擇，這種結構的優點是兩個頻段的信號不會相互影響，而且單獨的LNA的性 能可以設計的比較好，然而功耗和晶片面積較大。(2)使用內部使能端控制的低噪聲放大器和第一種結構相比，可以節省10% 50%的面積，所以成本下降。使用內部使能端控制的低噪聲放大器又可以分為兩種形式一 種形式是單輸入多輸出低噪聲放大器結構，即採用一個共同的輸入端，但針對不同的工作 頻段，有多個輸出端。另外一種更廣泛應用的是多輸入單輸出低噪聲放大器結構，即有一個共同的輸出端，但針對不同的工作頻段，有多個輸入端。相當於裡面有部分電路是公用的，有某些不同的子電路是用於不同的工作頻段的。在現有的Dual-band LNA文獻中，主要採用使用內部使能端控制的低噪聲放大器 結構。其拓撲結構主要有兩種形式。一種是採用開關切換諧振網絡以調節輸出匹配，從而使輸出匹配網絡諧振在兩個 不同的頻段(殷吉輝，楊華中，「一種雙頻段CMOS低噪聲放大器」，微電子學，Vol. 37，No. 3， Jun. 2007，參考文獻 4) (Sang-Sun Yoo and Hyung-JounYoo, "A Compact Dual-band LNA Using Self-matched Capacitor，，，IEEEInternational Workshop on Radio-Frequency Integration Technology, Dec. 9-11, 2007，參考文獻 5)。另一種是採用開關控制輸入匹配網絡，使其在兩個頻段內切換 (MohamedEl-Nozahi, Student Member, IEEE, Edgar Sanchez-Sinencio, Fellow, IEEE, and Kamran Entesari, Member, IEEE,"A CMOS Low-Noise Amplifier WithReconfigurable Input Matching Network" IEEE TRANSACTIONS ON MICROffAVETHEORY AND TECHNIQUES, VOL. 57, NO. 5,MAY 2009，參考文獻 6) (VojkanVidojkovic, Johan van der Tang, Eric Hans sen,Arjan Leeuwenburgh andArthur van Roermund,「FULLY-INTEGRATED DECT/BLUETOOTH MULT I-BAND LNAIN 0. 18 μ m CMOS」，IEEE,參考文獻 7)。開關切換輸出諧振網絡的雙頻段低噪聲放大器結構(參考文獻4，5)，其優點是既 可以通過匹配輸人電路來獲得最優噪聲係數，還可防止兩個頻段信號之間的相互幹擾。選 頻通過一個使用開關振蕩器的雙頻LNA拓撲結構實現。缺點是電晶體開關會引入寄生電 阻和電容，使電感的品質因子Q值下降，對受調節迴路造成影響，一般應用於相對較窄的帶
覓ο開關控制輸入匹配網絡的雙頻段低噪聲放大器(參考文獻6，7)，參考文獻6電 路優點是實現了連續調節輸入匹配網絡，能達到相對較寬的帶寬。缺點是輸入匹配網絡復 雜，在 0.13 μ m CMOS (Complementary Metal OxideSemiconductor)工藝下噪聲係數是 3. 2 3.7dB，噪聲係數大。參考文獻7電路優點是噪聲係數較低(低於2.5dB)，增益高(大於等 於15dB)，容易實現。缺點是只能窄帶應用，不能用於寬帶傳輸系統。所以，如何針對IMT-A和UWB的多模式系統，設計一種雙頻段低噪聲放大器，使其 能夠應用於較寬頻帶的通信系統，並且使噪聲係數、增益、輸入輸出匹配的技術指標都有一 定程度的提高，成為一個重要的開發課題。

發明內容
本發明專利中，我們提出一種新的「雙頻段低噪聲放大器」結構，實現在 3. 4-3. 6GHz和4. 2-4. 8GHz兩個帶寬不同的頻段內切換，且在4. 2-4. 8GHz較寬的頻帶內實 現了輸入輸出匹配。根據SMIC公司提供的0. 13微米的混合信號CMOS工藝進行的設計顯 示，本發明的雙頻帶低噪聲放大器集成電路晶片與其它設計結構(參考文獻4、5、6、7)相 比，本設計的噪聲係數、增益、輸入輸出匹配的技術指標都有較大的改善。我們採用SMIC公司0. 13微米的混合信號CMOS工藝，設計了雙頻段低噪聲放大器 集成電路晶片。和已經公開發表的結果相比，本設計在兩個頻段內分別採用窄帶和寬帶匹 配，雙頻帶內都達到了較小的噪聲係數和較高的增益，並在兩個頻段內都實現了輸入輸出50 Ω阻抗匹配。

在電路設計中同時採用兩個諧振網絡並聯的形式來提高增益和拓展帶寬。以下解釋本發明的技術原理。為了能從背景噪聲中檢測出微弱的射頻信號，對Dual-band LNA提出了很高的要 求，如採用寬帶50 Ω輸入匹配來減小回波損耗，需要足夠的增益來抑制下一級噪聲，低的 噪聲係數去提高接收機的靈敏度，低功耗等。另外，為了實現高集成度，低成本，低功耗等要求，我們採用CMOS工藝，但是由於 CMOS工藝較差的RF特性，如較高的寄生電容，較低的跨導，較低的電源電壓等，這也為設計 帶來了其他方面的挑戰。本發明的電路拓撲圖如

圖1所示。電感L2, L3和電容C2，C3構成帶通濾波器，用於展寬頻帶。該帶通濾波器中無源器 件的選擇決定了帶寬和波動係數。電感L1和電容C1與NMOS電晶體M1的輸入阻抗共同構 成串聯諧振，在諧振頻率附近匹配50 Ω輸入阻抗，電感Ls用於提供輸入阻抗的實部。匪OS (N型-M0S)電晶體M1, M2是放大管，匪OS電晶體M3分別與M1, M2構成共源共 柵結構。共源共柵結構能夠提高放大器的輸出阻抗；給放大管一個低阻抗負載，使得放大 管的增益比較低，降低了放大管的Miller效應對放大器性能的影響；提高了反向隔離度， 減弱了本振信號的洩露，同時使放大器成為一個單向化放大器，簡化設計並避免了穩定性 問題。電容Craitl，Cext2跨接兩個放大管的柵源端，用於噪聲匹配，對降低雙頻段低噪聲放 大器的噪聲係數有很大的貢獻。電阻R1，R2是分壓電阻，提供偏置電壓。NMOS電晶體M6，M7是開關管，柵極接「 1/0」數位訊號，用於數字控制雙頻段低噪聲 放大器的工作頻段。電感Lu，I^2與電容Cu，Q2構成兩個並聯諧振網絡。電容Cu，Q2是兩個可變電容， 用外接信號控制其電容值，從而改變兩個諧振網絡的諧振頻率。相對於一個並聯諧振網路 而言，兩個並聯諧振網絡有助於拓展帶寬，從而在相對較寬的頻段內滿足增益要求。電阻R3, R4阻值很大，作用是在開關管NMOS電晶體M6, M7處於導通狀態時，減小支 路電流以減小對偏置電路的影響，並減小對噪聲係數的影響。同時為了測試的目的，輸出端的MOS電晶體M4和M5構成源級跟隨器，用來驅動 50 Ω的負載終端。作為對比，兩種目前已經發表的Dual-band LNA電路拓撲結構，即共源共柵源級負 反饋結構和輸入匹配連續調節結構，分別由參考文獻4，6給出。同這兩種結構相比，本結構 的新穎性主要是針對不同的頻帶分別做了窄帶和寬帶輸入匹配，並採用連個並聯LC諧振 網絡串聯的形式增加帶寬，同時工作頻段可通過外部信號控制。案例分析為了證明本發明電路的可行性，我們採用SMIC公司0. 13 μ mCMOS工藝， 利用仿真工具Cadence-SpectreRF進行仿真。作為一種特例，主要電路元件參數如下Wmi = Wm2 = 160 μ mWm3 = 120 μ m
Lli = Ll2 :coil turns :2· 5 width 8 μ m inner radius 45 μ mspacing 1. 5 μ m所有MOS器件的長度為0. 13 μ m。電路工作電壓為1. 2V，主體電路電流消耗 12. 5mA，跟隨器電流消耗2. 9mA,總功耗為15. 4mW。電路的仿真結果如圖2，圖3，圖4，圖5，圖6所示。圖2是3. 4-3. 6GHz頻段內得到的NF的仿真結果。圖3是4. 2-4. 8GHz頻段內得到的NF的仿真結果。圖4是輸入回波損耗S11的仿真結果。圖5是增益S21的仿真結果。圖6是輸出回波損耗S22的仿真結果。 電路工作頻段3. 4-3. 6GHz和4. 2-4. 8GHz, 在3. 4-3. 6GHz頻段內，輸入匹配S11小於-12. 71dB和，輸出匹配S22小於-13. 62dB,增益S21 最小為19. 28dB,最大為19. 51dB,增益波動為0. 23dB,噪聲係數NF為2. 441-2. 578dB。在 4. 2-4. 8GHz頻段內，輸入匹配S11小於-21. 7dB和，輸出匹配S22小於-12. 61dB，增益S21最 大為19. 7dB，最小為17. 93dB，增益波動為1. 77dB，噪聲係數NF為3. 129-3. 276dB。圖7是雙頻段低噪聲放大器集成電路版圖。同其它已經發表的結果相比，本發明的性能列表如下。表1與已發表Dual-band LNA的性能比較
權利要求
1.一種新型全集成雙頻段低噪聲放大器集成電路結構，其特徵在於，採用雙輸入單輸 出雙頻段低噪聲放大器結構，數位訊號控制兩個頻段的切換。
2.按照權利要求1所述，其特徵在於，該雙頻段低噪聲放大器集成電路包括以下五個 主要部分A部分包括電感Ls，L1, L2, L3和電容C1, C2，C3，Cextl, Cext2,構成輸入匹配網絡；B 部分包括匪OS (N 型-M0S)電晶體 M1, M2, M3,電感 Lu，Ll2 和電容 Cu，CL2, Cextl，Cext2 ；C部分包括兩個電阻R1和&，為偏置電路部分；D部分包括兩個NMOS電晶體，M6, M7和兩個電阻R3, R4,為數字控制電路部分；E部分兩個NMOS電晶體M4和M5,為輸出部分。
3 按照權利要求項2所述的新型全集成雙頻段低噪聲放大器集成電路結構，其特徵在 於，A部分包括電感和電容元件，電感L2, L3和電容C2，C3構成帶通濾波器，用於展寬頻帶； 電感L1, Ls和電容C1用於窄帶輸入阻抗匹配，Cextl, Cext2用於降低噪聲係數。
4.按照權利要求項2所述的新型全集成雙頻段低噪聲放大器集成電路結構，其特徵在 於，B部分包括NMOS電晶體M1, M2, M3，用於構成共源共柵結構雙頻段低噪聲放大器的主體； 電感Lu，I^2與電容Cu，Q2構成兩個並聯諧振網絡，用於擴展電路的帶寬，提高電路在整個 工作頻段的增益平坦度。
5.按照權利要求項2所述的新型全集成雙頻段低噪聲放大器集成電路結構，其特徵在 於，C部分為偏置電路，電阻R1, R2是分壓電阻，提供偏置電壓。
6.按照權利要求項2所述的新型全集成雙頻段低噪聲放大器集成電路結構，其特徵在 於，D部分為數字控制電路部分，兩個NMOS電晶體M6，M7是用作兩個數字開關，控制電路在 兩個頻段內切換；電阻R3，R4的作用是在開關管NMOS電晶體M6，M7處於導通狀態時，減小支 路電流對偏置電路的影響。
7.按照權利要求項2所述的新型全集成雙頻段低噪聲放大器集成電路結構，其特徵在 於，E部分為輸出端NMOS電晶體M4和M5，用於構成源級跟隨器，驅動50 Ω的負載終端。
8.按照權利要求項3所述的新型全集成雙頻段低噪聲放大器集成電路結構，其特 徵在於，輸入端在兩個頻段內分別採用窄帶和寬帶匹配網絡，實現了不同帶寬的頻段 (3. 4-3. 6GHz 和 4. 2-4. 8GHz)內 50 Ω 阻抗匹配。
9.按照權利要求項6所述的新型全集成雙頻段低噪聲放大器集成電路結構，其特徵在 於，數字控制電路部分實現數位訊號控制頻段切換，降低開關切換對噪聲係數的影響。
全文摘要
本發明提供一種可同時應用於高級國際移動通信(AdvancedInternational Mobile Communications，IMT-Advanced)和超寬帶(Ultra-WideBand，UWB)通信的多頻段、多標準通信系統的一種雙頻段低噪聲放大器集成電路結構，涉及集成電路領域，和已經公開發表的其它結構相比，本發明輸入端在兩個頻段內分別採用窄帶和寬帶輸入匹配網絡，實現了不同帶寬的頻段(3.4-3.6GHz和4.2-4.8GHz)內50Ω阻抗匹配，兩個並聯諧振網絡作為負載，利用外部控制信號控制諧振頻率，滿足雙頻段的不同增益要求，並擴展了電路的帶寬，提高了電路在整個工作帶寬的增益平坦度，實現了數位訊號控制頻段切換，相比現有技術，本發明的噪聲係數、增益、輸入輸出匹配的技術指標都有大的提高，本發明採用SMIC公司0.13微米的混合信號CMOS工藝進行了設計驗證，結果證明了本發明結構的可行性。
文檔編號H03F1/42GK102130656SQ20101002273
公開日2011年7月20日 申請日期2010年1月12日 優先權日2010年1月12日
發明者唐旭升, 姜楠, 王燕, 黃風義 申請人:東南大學, 愛斯泰克(上海)高頻通訊技術有限公司